Integratives Design von neuartigen Mo-Si-Legierungen und Schutzschichten für Hochtemperaturanwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Christ, seit 8/2021; Professor Dr.-Ing. Martin Heilmaier; Professor Dr. Uwe Schulz
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 386184182

Mo-Silizid basierte Legierungen mit hohem Ti-Gehalt stellen neue vielversprechende Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen dar. Diese mehrphasigen Verbundwerkstoffe sind kriechbeständiger als einkristalline Ni-Basislegierungen und weisen einen guten Oxidationswiderstand bei hohen Temperaturen auf, jedoch zeigen sie oft katastrophale Oxidation („Pesting“) bei moderaten Temperaturen. Das Ziel dieses Vorhabens ist unverändert die integrative Entwicklung einer technisch einsetzbaren Mo-Si-B-Ti-Legierung mit einem adaptierten Beschichtungssystem, das einen dauerhaften Schutz in trockenen und feuchten Atmosphären im Temperaturbereich zwischen 600 und 1300°C bietet. Im Berichtszeitraum wurden eutektisch/eutektoide Mo-Si-Ti Legierungen entwickelt, die einen sehr guten Kompromiss aus Kriechbeständigkeit und Oxidationsresistenz zeigen. Die Verbesserung des Oxidationsverhaltens wurde zum einen intrinsisch durch ein CALPHAD-basiertes Legierungsdesign und zum anderen extrinsisch durch siliziumbasierte Schutzschichten erreicht. Die Oxidation der neuen Legierungen unter feuchter Atmosphäre ist deutlich beschleunigt gegenüber trockener Atmosphäre mit einem Wechsel von nahezu parabolischem zu linearem Oxidwachstum, was durch schnellere O- und Ti-Diffusion erklärt werden kann. Die Si-Schichten erzielen einen Oxidationsschutz bis über 300h bei 1200°C durch Bildung einer langsam wachsenden SiO2-Barriere. Für eine bessere Kompatibilität zwischen den Legierungen und Schicht wurden angepasste Haftvermittlerschichten entwickelt, die durch verminderte Phasenreaktionen an der Grenzfläche und verringerte Interdiffusion gekennzeichnet sind. In der 2. Projektphase soll das Oxidations- und Kriechverhalten der Legierungen abschließend untersucht werden. Dazu werden Fragen zum Beitrag der Einzelphasen zur Oxidation, zu den Unterschieden im Oxidationsmechanismus zwischen trockener und feuchter Atmosphäre sowie zu den Kriechmechanismen beantwortet. Da weder intrinsisch gebildete Oxide noch Schutzschichten den Langzeitschutz in wasserdampfhaltigen Atmosphären gewährleisten können, soll das Materialsystem zusätzlich durch Environmental Barrier Coatings (EBCs) geschützt werden. Bei der EBC-Entwicklung sowie dem Oxidations- und Kriechverhalten beschichteter Legierungen stehen Fragen zur Beständigkeit in feuchten Atmosphären, zur Kompatibilität zwischen Legierungen und den verschiedenen Lagen des EBC-Systems im Vordergrund, was durch die Kombination von thermodynamischer Modellierung und Experimente beantwortet werden soll. Mit Hilfe des neu entwickelten thermodynamisch-kinetisch gekoppelten Simulationstools soll geklärt werden, welcher Schichtaufbau der thermisch wachsenden Schichten sowie der Oxidationsschichten den bestmöglichen Schutz in trockenen und feuchten Atmosphären bietet. Weiterhin soll untersucht werden, ob die Schutzschichten bei überlagerter mechanischer Belastung durch Kriechen oder Temperaturwechsel mechanisch kompatibel zu den verwendeten Legierungen sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Alexander Kauffmann
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Bronislava Gorr, bis 8/2021